Sürekli sıcak daldırmalı galvanizleme hattında kaplama kalınlığı için matematiksel model geliştirilmesi
Development of a mathematical model for coating thickness in continuos hot-dip galvanizing li̇ne
- Tez No: 1002932
- Danışmanlar: DOÇ. DR. OSMAN TURAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), Computational fluid dynamics (HAD)
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bursa Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Galvaniz kaplı çelikler; yüksek korozyon direnci, dayanım ve uzun servis ömrü sağlamaları nedeniyle otomotiv, beyaz eşya ve yapı endüstrileri başta olmak üzere geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bu malzemenin dünya genelinde kişi başına düşen tüketim miktarının oldukça yüksek olması, kaplama kalınlığının doğru ve kontrollü biçimde ayarlanmasının hem maliyet hem de performans açısından ne kadar kritik olduğunu göstermektedir. Üretim hatlarında hedeflenen kaplama ağırlığına ulaşmak, gereksiz çinko tüketimini önlemek ve ürünün kullanım koşullarına uygun performans sergilemesini sağlamak için kaplama kalınlığının güvenilir bir yöntemle tahmin edilmesi gerekmektedir. Bu gereksinim, galvaniz hatlarında sıklıkla kullanılan hava jeti destekli sıyırma mekanizmasının fiziksel olarak doğru ve geniş aralıklarda uygulanabilir bir modelle temsil edilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu tezde, hava jeti ile sıyırma prensibine dayalı sürekli sıcak daldırma galvanizleme prosesinde kaplama kalınlığının güvenilir biçimde tahmin edilebilmesi amacıyla tamamen boyutsuz ve nozul geometrisinden bağımsız özgün bir matematiksel model geliştirilmiştir. Literatürde yaygın olarak kullanılan nozul giriş basıncı veya z/d oranına dayalı ifadelerin, farklı nozul tasarımlarında değişen çıkış jet hızları nedeniyle genelleştirilebilirliği sınırladığından, bu çalışmada fiziksel sürecin tamamını temsil edebilecek boyutsuz değişkenler tanımlanmış ve Buckingham Pi Teoremi ile kapsamlı bir boyut analizi gerçekleştirilmiştir. Fiziksel modeli oluşturmak için öncelikle gaz–jet etkileşimi analitik olarak incelenmiş ve kaplama kalınlığını kayma gerilmesi ile basınç gradyanına dayalı olarak hesaplayan analitik bir model oluşturulmuştur. Bu parametrelerin hesaplanabilmesi amacıyla yalnızca havanın modellendiği iki boyutlu, tek fazlı ve RANS tabanlı bir HAD modeli geliştirilmiş; model üzerinde gerçekleştirilen mesh bağımsızlık analizi ile çözüm hassasiyeti doğrulanmıştır. Tezin amacına uygun olarak nozul geometrisinden bağımsız bir yaklaşım elde edebilmek için, HAD analizlerinde nozul giriş basıncı (𝑃 𝑗𝑒𝑡 ) jet çıkış hızıyla (𝑉 𝑗𝑒𝑡 ) ilişkilendirilerek sınır koşulu olarak tanımlanmıştır. Endüstriyel çalışma koşulları dikkate alınarak 990 farklı durum için HAD analizleri gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar boyut analizi kapsamında boyutsuz hâle getirilmiştir. Borçelik'in CGL-3 hattından toplanan kaplama kalınlığı ölçümleri ile elde edilen verilerin güvenilirliği istatistiksel yöntemlerle doğrulanmış ve fiziksel modelin gerçek üretim koşullarını temsil etme kapasitesi test edilmiştir. Deneysel verilerin dar bir aralıkta yoğunlaşması nedeniyle, modelin genelleme kabiliyetini artırmak adına geniş parametre uzayını kapsayan HAD çıktıları ile makine öğrenmesi yöntemleri bir araya getirilmiştir. Ön modeldeki sapmalar, artık değer temelli bir düzeltme yaklaşımıyla giderilmiş; beş farklı algoritma karşılaştırılarak en yüksek başarıyı gösteren XGBoost algoritması tercih edilmiştir. Nihai hibrit model, eğitim sürecinde R²=0,99 ve %2,35 göreceli hata; daha önce görülmeyen koşullardaki endüstriyel doğrulamalarda ise %4,91 hata ile xvii yüksek doğruluk göstermiştir. Ayrıca gerçekleştirilen belirsizlik analizi, toplam belirsizlik üzerinde deneysel parametrelerin belirgin şekilde baskın olduğunu; sayısal bileşenlerin ise mesh bağımsızlığı sayesinde oldukça düşük katkı sağladığını göstermiştir. Sonuç olarak, geliştirilen boyutsuz ve hibrit model; nozul geometrisinden bağımsız yapısı, fiziksel süreçlerle tutarlı formülasyonu ve geniş aralıkta geçerlilik sağlayan veri temelli yapısıyla, sıcak daldırma galvaniz hatlarında kaplama kalınlığı kontrolü için güvenilir, ölçeklenebilir ve endüstriyel uygulamalara doğrudan entegre edilebilir bir mühendislik aracı sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Galvanized steel is widely utilized in automotive manufacturing, construction, and household appliances due to its high corrosion resistance, mechanical strength, and long service life. The globally high per-capita consumption of galvanized steel highlights the industrial and economic significance of accurately controlling coating thickness. Achieving the desired coating mass is crucial not only for ensuring product durability under varying environmental conditions but also for minimizing zinc usage and improving production efficiency. These requirements make predictive modeling of the air-jet-assisted wiping process an essential component of modern galvanizing operations. In this thesis, a fully dimensionless and nozzle-geometry-independent mathematical model is developed for predicting coating thickness in continuous hot-dip galvanizing lines employing air-jet wiping. Conventional models relying on dimensional variables such as inlet pressure or the z/d ratio show limited generalizability because different nozzle geometries produce different exit jet velocities under identical operating conditions. To overcome this limitation, the fundamental dimensionless parameters governing the process are identified using the Buckingham Pi Theorem, enabling a physically consistent and geometry-independent modeling framework. To construct the physical model, the gas–jet interaction was first analytically examined, and an analytical model was developed to estimate the coating thickness based on the shear stress and pressure gradient acting on the strip. To compute these quantities, a two-dimensional, single-phase, RANS-based CFD model—considering only the air phase—was developed, and a mesh independence study was conducted to verify the numerical accuracy. In line with the objective of achieving a nozzle-geometry-independent formulation, the nozzle inlet pressure (𝑃 𝑗𝑒𝑡 ) was defined as a boundary condition and linked to the jet exit velocity (𝑉 𝑗𝑒𝑡 ) within the CFD simulations. Considering industrial operating conditions, CFD analyses were carried out for 990 distinct cases, and the results were nondimensionalized through a systematic dimensional analysis. Experimental measurements collected from Borçelik's CGL-3 line are statistically verified for reliability, enabling comparison between physical predictions and real plant observations. Since industrial data are naturally clustered within a narrow domain, CFD results covering a wider parameter space are incorporated to enhance the model's generalization capability. Residuals from the physics-based preliminary model are corrected through supervised learning, and five algorithms are evaluated. XGBoost provides the best predictive performance, yielding R² = 0,99 and a mean relative error of 2,35% during training, while previously unseen validation conditions result in a mean error of 4,91%. In addition, the uncertainty analysis revealed that the overall uncertainty is predominantly governed by the experimental parameters, while the contribution of the numerical component remains minimal due to the mesh-independent nature of the simulations. The final xix hybrid and dimensionless model offers a reliable, scalable, and nozzle-geometry-independent tool for coating thickness prediction in continuous galvanizing processes. Its physically grounded formulation and strong predictive accuracy make it highly suitable for integration into industrial process control strategies.
Benzer Tezler
- Galvenizli çelik saçların ark kaynaklı bağlantılarının mekanik ve korozyon davranışlarının incelenmesi
Investigation of mechenical and corrosion behaviour of arc welded joints on galvanized steel sheets
C. BURAK ÖREN
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KUTSAL TÜLBENTÇİ
- Cr3+, Cr6+ tipi pasivasyon ajanlarının ve koruyucu yağların, sürekli sıcak daldırmayla galvanizleme metodu kullanılarak üretilmiş, DX51D+Z kalite galvanizli sacların korozyon dirençlerine etkilerinin incelenmesi
Investigetion of the effects of Cr3+, Cr6+ type passivation agents and rust preventive oils on corrosion resistance of hot dip galvanised DX51D+Z grade steel sheet
ÖZGÜR KARAKAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Makine MühendisliğiMustafa Kemal ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDOĞAN KANCA
- Sıcak daldırma yöntemi ile sürekli çinko kaplama
Galvanizing process
VOLKAN GÜVEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ÇAPA
- Competetive advantege veriables applied in continious flat hot-dipped galvanising in Turkey
Rekabet avantajı değişkenlerinin Türkiye`deki sürekli yassı sıcak daldırma galvanizleme sektöründeki uygulamaları
BARIŞ ÖZMUT
Yüksek Lisans
İngilizce
2002
İşletmeMarmara Üniversitesiİşletme Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YONCA KARAPAZAR
- Effect of diffusion annealing on the surface properties of hot dip aluminized Inconel 718 superalloy
Sıcak daldırma yöntemiyle alüminyum kaplanmış Inconel 718 süperalaşımının yüzey özelliklerine difüzyon tavlamasının etkisi
BURÇ GÜLEÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN